مجله صنایع چوب و کاغذ ایران

مجله صنایع چوب و کاغذ ایران

استفاده از نانو الیاف سلولز باکتریایی (BNCF) برای بهبود خواص کامپوزیت ساخته شده از شلتوک برنج و گچ

نوع مقاله : مقاله پژوهشی

نویسندگان
1 استادیار، گروه صنایع چوب، دانشگاه ملی مهارت، تهران، ایران.
2 استادیار، گروه مهندسی عمران، دانشگاه ملی مهارت، تهران، ایران.
3 دانشجوی دکتری، گروه علوم و صنایع چوب و کاغذ، دانشکده منابع طبیعی و علوم دریایی نور، دانشگاه تربیت مدرس استان تهران، ایران.
10.22034/ijwp.2025.2048436.1689
چکیده
بیان مساله و اهداف: در کشورهایی مانند ایران که منابع جنگلی محدود هستند، و استفاده از پسماندهای کشاورزی برای تولید پانل‌های سازگار با محیط زیست به‌عنوان راهکاری مؤثر برای کاهش وابستگی به چوب و جلوگیری از قطع درختان توصیه می‌شود. از سوی دیگر، با توجه به فراوانی منابع معدنی در ایران، استفاده از آن‌ها در کامپوزیت‌های پایه معدنی می‌تواند به کاهش فشار بر جنگل‌ها کمک کند. در این راستا، پژوهش حاضر به بررسی تأثیر نانوسلولز باکتریایی به‌عنوان عامل تقویت‌کننده بر ویژگی‌های فیزیکی، مکانیکی و حرارتی تخته‌های کامپوزیتی ساخته‌شده از گچ (به‌عنوان چسب معدنی) و شلتوک برنج (به‌عنوان پرکننده) می‌پردازد. هدف این مطالعه، ارزیابی امکان‌پذیری استفاده از این کامپوزیت به‌عنوان یک مصالح ساختمانی پایدار و دوستدار محیط زیست است.
مواد و روشها: عوامل متغیر در این پژوهش شامل نسبت‌های وزنی شلتوک برنج و گچ به مقادیر 90:10، 80:20 و 70:30 نسبت به وزن خشک گچ بودند. نانوالیاف سلولز باکتریایی در سطوح 1 درصد، 2 درصد و 3 درصد برای بهبود اتصال بین گچ و شلتوک برنج مورد استفاده قرار گرفت. در مجموع، با در نظر گرفتن 9 تیمار، تعداد 27 تخته آزمایشگاهی تولید شد. ضخامت تخته‌های آزمونی 16 میلی‌متر و دانسیته نهایی تمام تخته‌ها برابر با g/cm3 10/1 در نظر گرفته شد. سپس خواص مکانیکی و فیزیکی نمونه‌ها شامل مدول گسیختگی (MOR)، مدول الاستیسیته (MOE)، چسبندگی داخلی (IB)، واکشیدگی ضخامت پس از غوطه‌وری 2 و 24 ساعت در آب، دانسیته تخته‌ها و مقاومت به آتش (درصد کاهش وزن) اندازه‌گیری شدند.
نتایج: نتایج نشان داد که افزایش میزان شلتوک برنج در ساختار کامپوزیت تأثیر قابل‌توجهی بر خواص فیزیکی و مکانیکی پانل‌ها دارد. افزایش نسبت شلتوک برنج منجر به کاهش مقادیر مدول گسیختگی (MOR)، مدول الاستیسیته (MOE) و مقاومت چسبندگی داخلی (IB) شد که این کاهش را می‌توان به افزایش تخلخل، توزیع غیریکنواخت ذرات و کاهش چسبندگی بین اجزا نسبت داد. بررسی تصاویر میکروسکوپی (SEM) نشان داد که افزودن نانوسلولز باکتریایی (BNCF) باعث بهبود توزیع ذرات، کاهش نقص‌های ساختاری و افزایش انسجام بین گچ و شلتوک برنج شده است که منجر به بهبود خواص مکانیکی کامپوزیت گردید. از آنجا که شلتوک برنج حاوی مقادیر بالایی سیلیس (SiO₂) است، انتظار می‌رود که سیلیس موجود در آن نیز در تقویت پیوندهای ساختاری و افزایش مقاومت مکانیکی کامپوزیت نقش داشته باشد. با این حال، نتایج FTIR نشان داد که افزایش شدت پیک‌های مربوط به گروه‌های هیدروکسیل (O-H) و پیوندهای گلوکوزیدی (C-O) در نمونه‌های حاوی نانوسلولز مشهودتر است. از آنجایی که پیوندهای گلوکوزیدی (C-O) تنها در نانوسلولز مشاهده نمی‌شوند و در سلولز موجود در شلتوک برنج نیز حضور دارند، این احتمال وجود دارد که بخشی از این پیک‌ها مربوط به ساختار سلولزی شلتوک باشد. با این حال، مقایسه طیف FTIR بین نمونه‌های فاقد نانوسلولز و نمونه‌های حاوی BNCF نشان داد که افزایش شدت این پیک‌ها در حضور نانوسلولز باکتریایی، بهبود پیوندهای بین اجزا و افزایش چسبندگی ساختاری را تأیید می‌کند. بنابراین، در حالی که سیلیس موجود در شلتوک برنج نیز در تقویت پیوندهای گچی مؤثر است، افزایش مقاومت مکانیکی کامپوزیت‌های حاوی نانوسلولز بیشتر به بهینه‌سازی ساختار، کاهش فضاهای خالی، و بهبود انسجام بین اجزا نسبت داده می‌شود تا واکنش مستقیم نانوسلولز با گچ. علاوه بر این، هرچند پیوندهای گلوکوزیدی در سلولز شلتوک برنج نیز یافت می‌شوند، افزایش شدت این پیک‌ها در نمونه‌های دارای نانوسلولز نشان‌دهنده تأثیر نانوسلولز بر بهبود ساختار کامپوزیت است.
نتیجه­ گیری: افزودن نانوسلولز باکتریایی با بهبود انسجام ماتریس و کاهش تخلخل، موجب کاهش نفوذپذیری آب و بهبود پایداری ابعادی کامپوزیت‌ها شد. سیلیس موجود در شلتوک برنج می‌تواند باعث بهبود ویژگی‌های مکانیکی و حرارتی تخته‌ها شود، اما شلتوک به دلیل ساختار گیاهی باعث افزایش تخلخل و جذب بیشتر رطوبت می‌گردد. نانوسلولز باکتریایی به دلیل انتقال حرارت بسیار کم و طبیعت زیستی، سبب کاهش مقاومت تخته‌ها در برابر آتش شد. این کامپوزیت‌ها که دارای استحکام مکانیکی و مقاومت فیزیکی بهبودیافته‌ای هستند، پتانسیل قابل‌توجهی برای استفاده در پانل‌های داخلی ساختمان و دیگر سازه‌های غیرباربر دارند و جایگزینی پایدار برای مواد سنتی محسوب می‌شوند.
کلیدواژه‌ها

موضوعات


[1] Kang, C.W., Oh, S.W., Lee, T.B., Kang, W., and Matsumura, J., 2012. Sound Absorption Capability and Mechanical Properties of a Composite Rice Hull and Sawdust Board. Journal of Wood Science, 58, 273–278. DOI: 10.1007/s10086-011-1243-5
[2] Pedreño-Rojas, M.A., Flores-Colen, I., De Brito, J., and Rodríguez-Liñán, C., 2019. Influence of the Heating Process on the Use of Gypsum Wastes in Plasters: Mechanical, Thermal and Environmental Analysis. J Clean Prod, 215, 444–457. DOI: 10.1016/j.jclepro.2019.01.053
[3] Vidales-Barriguete, A., Santa-Cruz-astorqui, J., Piña-Ramírez, C., Kosior-Kazberuk, M., Kalinowska-Wichrowska, K., and Atanes-Sánchez, E., 2021. Study of the Mechanical and Physical Behavior of Gypsum Boards with Plastic Cable Waste Aggregates and Their Application to Construction Panels. Materials, 14(9), 2255. DOI: 10.3390/ma14092255
[4] Ferrández, D., Álvarez, M., Zaragoza-Benzal, A., Cobo-González, Á., and Santos, P., 2024. Development and Characterization of Innovative Hemp–Gypsum Composites for Application in the Building Industry. Applied Sciences, 14, 2229. DOI: 10.3390/app14062229
[5] Zhu, C., Zhang, J., Peng, J., Cao, W. and Liu, J., 2018. Physical and Mechanical Properties of Gypsum-Based Composites Reinforced with PVA and PP Fibers. Constr Build Mater, 163, 695–705, DOI: 10.1016/j.conbuildmat.2017.12.168
[6] Khalil, A.A., Tawfik, A., and Hegazy, A.A., 2018. Plaster Composites Modified Morphology with Enhanced Compressive Strength and Water Resistance Characteristics. Constr Build Mater, 167, 55–64, DOI: 10.1016/j.conbuildmat.2018.01.165
[7] Kondratieva, N., Barre, M., Goutenoire, F., and Sanytsky, M., 2017. Study of Modified Gypsum Binder. Constr Build Mater, 149, 535–542, DOI: 10.1016/j.conbuildmat.2017.05.140
[8] Shim, H., and Choi, G., 2017. Study of Construction Convergence Technology for Performance Improvement in Functional Building Materials. Journal of Building Engineering, 11, 108–114, DOI: 10.1016/j.jobe.2017.04.008
[9] Selamat, M.E., Hashim, R., Sulaiman, O., Kassim, M.H.M., Saharudin, N.I., and Taiwo, O.F.A., 2019. Comparative Study of Oil Palm Trunk and Rice Husk as Fillers in Gypsum Composite for Building Material. Constr Build Mater, 197, 526–532, DOI: 10.1016/j.conbuildmat.2018.11.003
[10] Ramesh, M., Palanikumar, K., and Reddy, K.H., 2017. Plant Fibre Based Bio-Composites: Sustainable and Renewable Green Materials. Renewable and Sustainable Energy Reviews, 79, 558–584, DOI: 10.1016/j.rser.2017.05.094
[11] Abuh, N.M., 2018. Umoh Palm Kernel Fruit Fiber Reinforced Gypsum-Cement Based Wall Panels: It’s Physical and Mechanical Characteristics; Pollution, 1(2), 117-126,
[12] Ashori, A., 2017. Hybrid Thermoplastic Composites Using Nonwood Plant Fibers. In Hybrid Polymer Composite Materials: Properties and Characterisation; Elsevier Inc, pp. 39–56 ISBN 9780081007884, DOI: 10.1016/B978-0-08-100787-7.00002-0
[13] Eghtedarnejad, N., Kazemi-Najafi, S., and Shalbafan, A., 2021. The effect of chipping method on the geometry of particles produced from date palm frond. BioResources, 16(1), 1131, DOI: 10.15376/biores.16.1.1131-1143
[14] Hýsková, P., Hýsek, Š., Schönfelder, O., Šedivka, P., Lexa, M., and Jarský, V., 2020. Utilization of Agricultural Rests: Straw-Based Composite Panels Made from Enzymatic Modified Wheat and Rapeseed Straw. Industrial Crops and Products | Journal, 144, DOI: 10.1016/j.indcrop.2019.112067
[15] Dukarska, D., Rogoziński, T., Antov, P., Kristak, L., and Kmieciak, J., 2022. Characterisation of Wood Particles Used in the Particleboard Production as a Function of Their Moisture Content. Materials, 15, DOI: 10.3390/ma15010048
[16] Mahdavi, S., 2019. Comparing the Characteristics of Non-Wood Waste for Energy Production. Journal of wood and paper industries of Iran, 4. (In Persian),
[17] Kaplan, G., and Elmekahal, M.A.S., 2021. Microstructure and Durability Properties of Lightweight and High-Performance Sustainable Cement-Based Composites with Rice Husk Ash. Environmental Science and Pollution Research, 28(38), 52936-52962, DOI: 10.21203/rs.3.rs-337672/v1
[18] Binici, H., Aksogan, O., and Shah, T., 2005. Investigation of Fibre Reinforced Mud Brick as a Building Material. Constr Build Mater, 19, 313–318, DOI: 10.1016/j.conbuildmat.2004.07.013
[19] Binici, H., Aksogan, O., Bodur, M.N., Akca, E., and Kapur, S., 2007. Thermal Isolation and Mechanical Properties of Fibre Reinforced Mud Bricks as Wall Materials. Constr Build Mater, 21, 901–906, DOI: 10.1016/j.conbuildmat.2005.11.004
[20] Ashour, T., Korjenic, A., and Korjenic, S., 2015. Equilibrium Moisture Content of Earth Bricks Biocomposites Stabilized with Cement and Gypsum. Cem Concr Compos, 59, 18–25, DOI: 10.1016/j.cemconcomp.2015.03.005
[21] Antunes, A., Faria, P., Silva, V., Brás, A., and Antunes, A., 2019. Faria. Rice husk-earth based composites: A novel bio-based panel for buildings refurbishment. Construction and Building Materials, 221, 99-108, DOI: 10.1016/j.conbuildmat.2019.06.074
[24] Mohammadkazemi, F., Doosthoseini, K., Ganjian, E., and Azin, M., 2015. Effects of Bacterial Nanocellulose on Properties of Fiber-Cement Composites and Durability to Freeze-Thaw Cycling. Concrete Research, 7, 47–56,
[25] Rangavar, H., 2012. Study on the Possibility of Recycled-Banknote Utilization in the Production of Wood Gypsum Composite-Boards. Iranian Journal of Wood and Paper Industries, 4, 87–99. (In Persian), DOI:
[26] Nazerian, M., Kamyab, M., and Kermaniyan, H., 2016. Application Effect of Mineral Fibers on Hydration and Properties of Gypsum-Bonded Fiberboard Manufactured from Kenaf and Bagasse Fibers. Journal of Wood and Forest Science and Technology, 2, 203-228. (In Persian),
[27] Nazerian, M., and Kamyab, M., 2013. Gypsum-Bonded Particleboard Manufactured from Agriculturally Based Material. Forest Science and Practice, 15, 325–331, DOI: 10.1007/s11632-013-0420-6
[28] Prasad, P.S.R., Chaitanya, V.K., Prasad, K.S., and Rao, D.N., 2005. Direct Formation of the γ-CaSO4 Phase in Dehydration Process of Gypsum: In Situ FTIR Study. American Mineralogist, 90, 672–678. DOI: 10.2138/am.2005.1742
[29] Yalçin, O.U., and Kaya, A.İ., 2022. PROPERTIES OF GYPSUM PARTICLEBOARD WITH ADDED MINERAL DOLOMITE. Maderas: Ciencia y Tecnologia, 24. DOI: 10.4067/S0718-221X2022000100428
[30] YALÇIN, Ö.Ü., 2022. Evaluation of Various Properties of Gypsum Particleboards Reinforced with Olivine Mineral. Turkish Journal of Forestry | Türkiye Ormancılık Dergisi, 305–312. DOI: 10.18182/tjf.1142148
[31] Aǧan, S., Dana, A., and Aydinli, A., 2006. TEM Studies of Ge Nanocrystal Formation in PECVD Grown SiO 2:Ge/SiO2 Multilayers. Journal of Physics Condensed Matter, 18, 5037–5045. DOI: 10.1088/0953-8984/18/22/004
[32] Jeong, S.G., Chang, S.J., Wi, S., Kang, Y., Lee, H., and Kim, S., 2017. Development of Heat Storage Gypsum Board with Paraffin-Based Mixed SSPCM for Application to Buildings. J Adhes Sci Technol, 31, 297–309, DOI: 10.1080/01694243.2016.1215011
[33] Mohd Basri, M.S., Mustapha, F., Mazlan, N., and Ishak, M.R., 2021. Rice Husk Ash-Based Geopolymer Binder: Compressive Strength, Optimize Composition, FTIR Spectroscopy, Microstructural, and Potential as Fire-Retardant Material. Polymers (Basel), 13, 4373, DOI: 10.3390/polym13244373
[34] Vavřínová, N., Stejskalová, K., Teslík, J., Kubenková, K., and Majer, J., 2022. Research of Mechanical and Thermal Properties of Composite Material Based on Gypsum and Straw. J Renew Mater, 10, 1859–1873, DOI: 10.32604/jrm.2022.018908
[35] Sahin, H., and Demir, İ., 2019. Atık Selülozik Karışımı Kaynaklardan Üretilen Alçı Esaslı Levhalar: 2. Bölüm. Kimyasal ve Teknolojik Özellikler. European Journal of Science and Technology, 77–85, DOI: 10.31590/ejosat.565258
[36] Nindiyasari, F., Griesshaber, E., Zimmermann, T., Manian, A.P., Randow, C., Zehbe, R., Fernandez-Diaz, L., Ziegler, A., Fleck, C., and Schmahl, W.W., 2016. Characterization and Mechanical Properties Investigation of the Cellulose/Gypsum Composite. J Compos Mater, 50, 657–672, DOI: 10.1177/0021998315580826
[37] Ramezani, H., Shahdab, S., and Nouri, A., 2012. Study on Effects of Wood Fiber Content on Physical, Mechanical, and Acoustical Properties of Wood-Fiber-Filled Gypsum Composites. Materials Research, 15, 236–241, DOI: 10.1590/S1516-14392012005000018
[38] Reddy, N., and Yang, Y., 2005. Biofibers from Agricultural Byproducts for Industrial Applications. Trends Biotechnol, 23, 22–27. DOI: 10.1016/j.tibtech.2004.11.002
[39] Nazari, M., and Ranjbar, N., 2015. Effect of Cellulose Nanofibers on the Physical and Mechanical Properties of Cement Composites. Constr Build Mater, 80, 1–10,
[40] Hasani, M., and Morteza, M., 2018. Mechanical Properties of Nanocellulose Reinforced Composite Materials. Compos B Eng, 141, 229–240,
[41] Tichi, A.H., and Razavi, M., 2023. Construction of Cement Composite Using Walnut Shell Reinforced with Bacterial Nanocellulose Gel. Bioresources. 18, 8362–8373, DOI: 10.15376/biores.18.4.8362-8373
[42] Singh, S., Maiti, S., Bisht, R.S., Balam, N.B., Solanki, R., Chourasia, A., and Panigrahi, S.K., 2022. Performance Behaviour of Agro-Waste Based Gypsum Hollow Blocks for Partition Walls. Scientific Reports, 12(1), 3204, DOI: 10.1038/s41598-022-07057-y.
[43] Živica, V., Balkovic, S., and Drabik, M., 2011. Properties of Metakaolin Geopolymer Hardened Paste Prepared by High-Pressure Compaction. Constr Build Mater, 25, 2206–2213, DOI: 10.1016/j.conbuildmat.2010.11.004
[44] Abir, N., Siddique, A.B., Begum, H.A., Gafur, M.A., Khan, A.N., and Mahmud, M.A, 2023. Effect of Fibre Loading on Mechanical Properties of Jute Fibre Bundle Reinforced Gypsum Composites. Heliyon, 9(7), DOI: 10.1016/j.heliyon.2023.e18147
[45] Mahmud, M.A., Belal, S.A., and Gafur, M.A., 2023. Development of a Biocomposite Material Using Sugarcane Bagasse and Modified Starch for Packaging Purposes. Journal of Materials Research and Technology, 24, 1856–1874, DOI: 10.1016/j.jmrt.2023.03.083